CTCS3-300T型ATP啟機(jī)GSM-R基站注冊(cè)錯(cuò)選原因分析及對(duì)策措施

賈水生，李康標(biāo)

合杭高鐵自2019年開通以來，圖定DJ8030次動(dòng)車組擔(dān)當(dāng)合肥南—含山南站區(qū)段的每日首次動(dòng)檢工作，并在含山南站折返。由于在含山南站附近存在淮南線普速車站銅城閘站，這2個(gè)車站均有GSM-R通信基站，DJ8030次動(dòng)車組在含山南站多次出現(xiàn)因錯(cuò)選基站導(dǎo)致CTCS-3級(jí)無線通信超時(shí)（簡(jiǎn)稱“C3無線通信超時(shí)”）（超時(shí)時(shí)間6～21 s）故障。本文通過電臺(tái)的數(shù)據(jù)記錄儀分析，結(jié)合相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證，分析錯(cuò)選基站的原因，并提出優(yōu)化方案，供相關(guān)部門參考。

1 問題描述

2021年3月5日6時(shí)16分，CRH380BL-3775的00端運(yùn)行至商合杭線含山—巢湖東合杭場(chǎng)時(shí)發(fā)生無線通信超時(shí)，核心網(wǎng)回復(fù)為MT電臺(tái)起呼時(shí)小區(qū)選擇錯(cuò)誤。該端電臺(tái)安裝有數(shù)據(jù)記錄儀裝置，分析數(shù)據(jù)記錄儀記錄，發(fā)現(xiàn)C3無線通信超時(shí)發(fā)生時(shí)刻，MT1電臺(tái)處于工作狀態(tài)。MT1電臺(tái)開機(jī)時(shí)注冊(cè)情況見圖1。

由圖1可知，ATP啟機(jī)后，MT1電臺(tái)在06：14：19：771占用43小區(qū)頻點(diǎn)1018，信號(hào)強(qiáng)度為-54 dBm。43小區(qū)為銅城閘GSM-R基站小區(qū)，MT1電臺(tái)沒有正常注冊(cè)到合杭高鐵的含山南GSM-R基站小區(qū)，即17小區(qū)。

MT1電臺(tái)異常釋放記錄見圖2。由圖2可知，在06：24：30，MT1電臺(tái)選擇到銅城閘GSM-R基站18小區(qū)頻點(diǎn)1014，信號(hào)強(qiáng)度為-48 dBm左右，而且此時(shí)1014信號(hào)最好，小區(qū)選擇正常，通信成功建立連接。在06：26：22占用18小區(qū)頻點(diǎn)1018，信號(hào)強(qiáng)度為-88 dBm，通信質(zhì)量持續(xù)7級(jí)質(zhì)量差，MT1電臺(tái)向網(wǎng)絡(luò)側(cè)發(fā)起正常的disconnect（斷開連接）消息，原因值為Normal call clearing（正常呼叫清除），造成C3無線通信超時(shí)［1］。

圖2 MT1電臺(tái)異常釋放

2 原因分析

根據(jù)CTCS3-300T（簡(jiǎn)稱“300T”）列控設(shè)備MT電臺(tái)小區(qū)選擇說明，電臺(tái)開機(jī)后選擇最強(qiáng)廣播控制信道（Broadcast Control Channel，BCCH）小區(qū)進(jìn)行注冊(cè)。但在實(shí)際運(yùn)用中，存在電臺(tái)偶發(fā)小區(qū)選擇異常的現(xiàn)象，因此，通信側(cè)對(duì)電臺(tái)的小區(qū)選擇邏輯提出質(zhì)疑，認(rèn)為電臺(tái)注冊(cè)小區(qū)與手機(jī)注冊(cè)小區(qū)選擇過程類似，優(yōu)先使用關(guān)機(jī)前存儲(chǔ)的BCCH進(jìn)行注冊(cè)［2］。即MT電臺(tái)剛開機(jī)時(shí)，首先判斷內(nèi)部是否存儲(chǔ)先前留下的BCCH頻率表。如果有，則先掃描BCCH頻率表中所存儲(chǔ)的頻率是否可以有效駐留，若這些頻率均不符合條件，則重新搜索頻率，并建立當(dāng)前的BCCH頻率表。在這種邏輯下，MT電臺(tái)將在3～5 s內(nèi)通過掃描各個(gè)頻點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)來獲得每個(gè)頻點(diǎn)的平均電平（每個(gè)頻點(diǎn)至少采集5個(gè)測(cè)試樣點(diǎn)），然后從電平最高的頻點(diǎn)開始（全球移動(dòng)通信系統(tǒng)GSM段掃描最強(qiáng)的30個(gè)頻點(diǎn)、數(shù)字通信系統(tǒng)DCS段掃描40個(gè)頻點(diǎn)）依次辨識(shí)BCCH頻道，一旦確定了BCCH頻道，將同步解析BCCH的信息［3］。

在含山南車站發(fā)生錯(cuò)選基站的300T車載設(shè)備，其MT電臺(tái)啟機(jī)時(shí)BCCH頻道注冊(cè)是否存在上述機(jī)制需要進(jìn)一步分析確認(rèn)。

2.1 MT電臺(tái)小區(qū)選擇邏輯

當(dāng)MT電臺(tái)開機(jī)時(shí)，立即請(qǐng)求接入GSM-R網(wǎng)絡(luò)，并從搜索到的小區(qū)中提取無線參數(shù)與系統(tǒng)消息，進(jìn)行小區(qū)選擇。無線信道質(zhì)量是影響小區(qū)選擇的一個(gè)重要因素，GSM/GPRS（通用分組無線業(yè)務(wù)）采用C1算法，即路徑損耗準(zhǔn)則，只有C1＞0時(shí)，無線信道質(zhì)量才滿足MT電臺(tái)注冊(cè)的基本要求［4］。C1表達(dá)式為

式中：A為MT電臺(tái)接收的平均電平；B為MT電臺(tái)可以接入的最小電平；D為MT電臺(tái)控制信道最大發(fā)射功率；E為小區(qū)允許MT電臺(tái)接入系統(tǒng)的最大輸出功率［5］。

300T列控設(shè)備MT電臺(tái)開機(jī)后不會(huì)使用存在SIM卡里的BCCH頻點(diǎn)，而是快速搜索900 MHz頻段，按照GSM-R對(duì)應(yīng)的1000～1019頻點(diǎn)順序，選擇信號(hào)最強(qiáng)的BCCH，如果信號(hào)最強(qiáng)小區(qū)的通信有問題，電臺(tái)會(huì)嘗試同步次強(qiáng)小區(qū)。小區(qū)選擇流程見圖3。

圖3 小區(qū)選擇流程

2.2 實(shí)驗(yàn)室仿真測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)室搭建300T列控設(shè)備MT電臺(tái)小區(qū)選擇邏輯仿真測(cè)試環(huán)境，見圖4。利用綜測(cè)儀A模擬西門子基站，利用綜測(cè)儀B模擬華為基站，采用有線方式通過合路器傳送到MT電臺(tái)，這樣可以避免空間存在的電磁干擾影響，從而確保測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確。計(jì)算機(jī)通過專用測(cè)試軟件修改綜測(cè)儀的頻點(diǎn)等數(shù)據(jù)，并記錄測(cè)試數(shù)據(jù)，形成測(cè)試報(bào)告。

圖4 MT電臺(tái)小區(qū)選擇邏輯仿真測(cè)試環(huán)境

通過模擬2個(gè)相鄰GSM-R基站的開關(guān)機(jī)場(chǎng)景，驗(yàn)證MT電臺(tái)開機(jī)是否按關(guān)機(jī)前使用過的小區(qū)頻點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)先選擇。此次模擬試驗(yàn)場(chǎng)景前提為：西門子基站的發(fā)射功率大于華為基站發(fā)射功率。

2.2.1 測(cè)試案例1

測(cè)試環(huán)境：西門子基站1011頻點(diǎn)和1005頻點(diǎn)交替，強(qiáng)度約-36 dBm；華為基站1014頻點(diǎn)，強(qiáng)度約-77 dBm。試驗(yàn)期間所有基站頻點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度維持不變。

測(cè)試過程：MT電臺(tái)開機(jī)并成功附著西門子基站網(wǎng)絡(luò)，在西門子基站處于1005頻點(diǎn)時(shí)，關(guān)閉MT電臺(tái)，然后修改西門子基站頻點(diǎn)為1011，MT電臺(tái)開機(jī)。

測(cè)試結(jié)果：現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試15次，MT電臺(tái)開機(jī)后均占用西門子基站。

2.2.2 測(cè)試案例2

測(cè)試環(huán)境：西門子基站1005頻點(diǎn)，強(qiáng)度約-41 dBm；華為基站1014頻點(diǎn)，強(qiáng)度約-72 dBm。試驗(yàn)期間所有基站頻點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度維持不變。

測(cè)試過程：MT電臺(tái)開機(jī)并成功附著西門子基站網(wǎng)絡(luò)，在西門子基站處于1005頻點(diǎn)時(shí)，關(guān)閉MT電臺(tái)，然后修改西門子基站頻點(diǎn)為1011，修改華為基站頻點(diǎn)為1005，MT電臺(tái)開機(jī)。

測(cè)試結(jié)果：現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試5次，開機(jī)均占用西門子基站。

通過上述2種不同條件下的實(shí)驗(yàn)室模擬測(cè)試，驗(yàn)證300T列控設(shè)備的MT電臺(tái)開機(jī)后選擇信號(hào)最強(qiáng)小區(qū)進(jìn)行注冊(cè)。

2.3 歷史數(shù)據(jù)分析

2022年10月24日，合肥電務(wù)段結(jié)合圖定DJ8030次動(dòng)車組交路，采取人工驗(yàn)證的方式進(jìn)行分析，但未捕捉到錯(cuò)選基站信息。通過回溯合肥電務(wù)段始發(fā)站單MT電臺(tái)注冊(cè)故障，發(fā)現(xiàn)有2起故障與車載MT電臺(tái)錯(cuò)選GSM-R基站場(chǎng)景基本一致。

2021年1月27日G7293次（380BL-3785-00端）和2021年2月7日G7293次（380BL-3775-01端）到達(dá)淮蕭聯(lián)絡(luò)線終點(diǎn)站淮北站時(shí)，DMS（動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)）系統(tǒng)均出現(xiàn)單MT電臺(tái)報(bào)警，上述2列動(dòng)車組均安裝有數(shù)據(jù)記錄儀。通過分析數(shù)據(jù)記錄儀數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在幾乎同樣的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，雖然列控車載設(shè)備的MT1電臺(tái)和MT2電臺(tái)注冊(cè)前后存在對(duì)GSM-R信號(hào)質(zhì)量的不同要求，但是MT電臺(tái)都是選擇相同的最強(qiáng)BCCH小區(qū)進(jìn)行注冊(cè)［6］，這是動(dòng)車組實(shí)際運(yùn)行中，MT電臺(tái)選擇信號(hào)最強(qiáng)小區(qū)進(jìn)行注冊(cè)的2個(gè)有力證明。

綜上所述，根據(jù)300T列控設(shè)備的MT電臺(tái)小區(qū)選擇邏輯、實(shí)驗(yàn)室仿真測(cè)試結(jié)果，以及合肥電務(wù)段歷史數(shù)據(jù)的綜合分析，可以得出300T列控設(shè)備的MT電臺(tái)開機(jī)后選擇最強(qiáng)小區(qū)進(jìn)行注冊(cè)。鑒于此，MT電臺(tái)在開機(jī)后錯(cuò)誤選擇GSM-R基站應(yīng)是地面通信原因造成。

3 對(duì)策措施

1）通信側(cè)調(diào)整基站場(chǎng)強(qiáng)［7］（方案一）。對(duì)于該問題，以往的處理方式是通信側(cè)調(diào)低銅城閘GSMR基站發(fā)送信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)，拆除了1根天線，但由于銅城閘GSM-R基站還涉及淮南線普速線路，為了不影響淮南線普速線路機(jī)車的正常運(yùn)行，銅城閘GSM-R基站的發(fā)送信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)只能進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，所以MT電臺(tái)錯(cuò)選GSM-R基站的場(chǎng)景始終存在。因此，此次通信側(cè)將含山南GSM-R基站的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行上調(diào)，對(duì)于DJ8030而言，合杭線含山南GSM-R基站比銅城閘GSM-R基站距離近、信號(hào)強(qiáng)，調(diào)整后，DJ8030未再發(fā)生因?yàn)殄e(cuò)選基站導(dǎo)致的C3無線通信超時(shí)。

2）避免在鄰線有基站的高速鐵路站場(chǎng)進(jìn)行動(dòng)車組換端［8］（方案二）。為徹底解決含山南錯(cuò)選基站問題，提出將動(dòng)檢車交路延長(zhǎng)到蕪湖站。動(dòng)車組正常運(yùn)行時(shí)途經(jīng)區(qū)段的GSM-R小區(qū)切換均是小區(qū)引導(dǎo)式切換，不會(huì)發(fā)生錯(cuò)選GSM-R基站的問題，而蕪湖站是大站場(chǎng)，周圍無相鄰其他基站。2022年12月26日，結(jié)合上海局集團(tuán)公司“12.26”調(diào)圖，順利實(shí)現(xiàn)上述動(dòng)檢交路的延長(zhǎng)。截至目前，含山南站未再發(fā)生車載MT電臺(tái)錯(cuò)選GSM-R基站導(dǎo)致的C3無線通信超時(shí)故障。

在此次含山南錯(cuò)選基站的處理中，首先是通信側(cè)進(jìn)行了基站場(chǎng)強(qiáng)的調(diào)整，調(diào)整2個(gè)月后結(jié)合調(diào)圖，將動(dòng)檢交路延長(zhǎng)至鄰線無基站的蕪湖站。

針對(duì)類似故障，在上述2個(gè)解決方案中，方案一雖然可以直接解決車載MT電臺(tái)錯(cuò)選基站問題，但可能會(huì)受通信場(chǎng)景的客觀條件限制，如出現(xiàn)含山南GSM-R基站設(shè)備故障導(dǎo)致信號(hào)變?nèi)鯐r(shí)，或者銅城閘站GSM-R基站因人為調(diào)整不當(dāng)導(dǎo)致信號(hào)變強(qiáng)時(shí)，仍存在相鄰GSM-R干擾的空間物理?xiàng)l件。方案二對(duì)運(yùn)輸部門提出運(yùn)行圖交路調(diào)整的要求，在極端情況下也可能存在交路不能延長(zhǎng)的情況。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，可參考文獻(xiàn)［9］通過優(yōu)化C3無線通信超時(shí)邏輯，對(duì)于存在相鄰GSM-R干擾空間物理?xiàng)l件的情況，一定程度上可降低車載MT電臺(tái)對(duì)相鄰線路地面GSM-R基站小區(qū)的設(shè)置要求，從而避免類似含山南站因車載MT電臺(tái)錯(cuò)選基站導(dǎo)致C3無線通信超時(shí)的問題。

4 結(jié)論

1）隨著中國(guó)高鐵線路的建設(shè)，鐵路路網(wǎng)必然會(huì)越來越密集，線路之間的相互影響會(huì)不斷顯現(xiàn)，容易出現(xiàn)GSM-R基站信號(hào)相互干擾問題［10］。本文針對(duì)含山南站多次出現(xiàn)錯(cuò)選基站導(dǎo)致C3無線通信超時(shí)問題，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)室模擬驗(yàn)證，定位故障應(yīng)是地面通信原因造成。

2）采取通信側(cè)調(diào)整基站場(chǎng)強(qiáng)，同時(shí)通過協(xié)調(diào)運(yùn)輸部門延長(zhǎng)交路，避免在鄰線有基站的高速鐵路站場(chǎng)進(jìn)行動(dòng)車組換端，有效解決了GSM-R基站信號(hào)相互干擾對(duì)動(dòng)車組正常運(yùn)行的影響。